Groundwater dependent ecosystems (GDEs), including wetlands and river baseflow systems, are a topic of substantial scientific study. The degradation of GDEs due to urbanization has been well documented. An altered hydrologic regime, through increased impervious area resulting in a flashier hydrologic regime with lower troughs, higher peaks, and quicker changes, has been recognized as a main factor affecting ecological condition. Yet studies on GDEs rarely include a hydrologic modelling component. In this study, the conjunctive hydrologic model MIKE SHE was used to simulate the Lovers Creek subwatershed near Barrie, ON. The hydrologic regime was simulated for pre-development (natural), current (urbanized), and various low-impact development (LID) land use scenarios. The results were linked to the ecological condition via the TQmean metric, which has been used in the literature to relate the hydrologic and ecological conditions of streams. The highest percentage LID scenario restored, on average, 11% of the reduction in TQmean that occurred from pre-development to urbanized conditions, indicating that LID has the potential to protect GDEs in urbanized watersheds. It is expected that the effect of LID would be amplified if considered on a more local scale within a predominantly high density urban area. Recommendations for future modelling efforts to evaluate GDEs and represent LID are made.

Abstract Groundwater-dependent ecosystems (GDEs) are aquatic or terrestrial ecosystems that rely directly or indirectly on groundwater (GW). Recent European and Finnish legislation requires better consideration of these systems in GW management. The main aim of this thesis was to develop new methods for GDE classification and management, by testing environmental tracer methods in different environments. New information about GW-surface water interactions was obtained and novel methods for GDE classification and management were developed for lakes, peatlands, streams, and springs. Stable water isotopes proved to be an efficient tool for determining the GW dependence of lakes. An iterative isotope mass balance method was applied for 67 lakes situated in the Rokua esker aquifer area. Stable water isotopes also showed potential in determining the GW dependence of a peatland surface horizon. A study conducted in peatlands adjacent to Viinivaara esker aquifer indicated that the GW dependence of peatlands can vary significantly and that GW-dependent areas can extend outside current GW protection areas. Thermal images proved useful in pinpointing clear GW seepage locations in peatlands. For streams, a novel stream tracer index method was developed to evaluate GW dependence based on GW volume in streams, thermal properties of streams, and stream water quality. The method was tested in three streams discharging from Viinivaara and Rokua aquifers and was found to efficiently capture spatial variations in GW dependence. In Oulanka region, hydrological and chemical characterization and statistical methods were used to classify springs into different types. Spring altitude and δ2H value were identified as useful proxies for spring water chemistry. The methods developed in this thesis can be helpful when classifying and studying GDEs and applying environmental tracer methods in various environments. Knowing the GW dependence of an ecosystem, the impacts of possible GW table decline caused by e.g., GW abstraction, drainage, and/or climate change can be evaluated. For large-scale applications, GDE classification methods have to be practical, effective, and low-cost. Combined use of stable water isotopes and other tracers can be especially effective for characterizing ecosystem hydrology on different temporal and spatial scales. / Tiivistelmä Pohjavedestä riippuvat ekosysteemit (GDE) ovat vesi- tai maaekosysteemejä, jotka ovat suoraan tai epäsuorasti riippuvaisia pohjavedestä. Euroopan Unionin ja Suomen lainsäädännön mukaan pohjavesien hallinnassa tulisi ottaa paremmin huomioon GDEt. Tämän työn tavoitteena oli kehittää uusia menetelmiä näiden ekosysteemien luokitteluun ja hallintaan. Luonnollisia merkkiainemenetelmiä soveltaen saatiin uutta tietoa pohjavesi-pintavesi vuorovaikutuksesta ja kehitettiin uusia menetelmiä GDE-luokitteluun järville, soille, puroille ja lähteille. Veden stabiilit isotoopit osoittautuivat tehokkaaksi työkaluksi järvien pohjavesiriippuvuuden määrittämisessä. Iteratiivista isotooppimassatase-menetelmää käytettiin 67 Rokuan järven pohjavesiriippuvuuden selvittämiseen. Veden stabiileilla isotoopeilla pystyttiin myös määrittämään suon pinnan pohjavesiriippuvuus. Viinivaaran harjun viereisen suoalueen tutkimus näytti, että suon pohjavesiriippuvuus voi vaihdella merkittävästi ja pohjavedestä riippuvia alueita löytyy myös nykyisten pohjavesirajojen ulkopuolelta. Lisäksi soilla havaittiin selkeitä pohjavedenpurkupaikkoja lämpökamerakuvauksen avulla. Puroille kehitettiin uusi menetelmä, jolla niiden pohjavesiriippuvuutta voidaan arvioida perustuen pohjaveden määrään puroissa, puroveden lämpötilaominaisuuksiin ja puroveden laatuun. Menetelmää testattiin Viinivaaran ja Rokuan harjuista purkautuville puroille ja sillä havaittiin pohjavesiriippuvuuden vaihtelevan purojen eri osissa. Oulangan lähteitä luokiteltiin eri tyyppeihin hydrologisen ja kemiallisen karakterisoinnin ja tilastollisten menetelmien avulla. Lähteiden altitudin ja δ2H-arvon havaittiin ennustavan lähdeveden kemiallista koostumusta. Tässä tutkimuksessa kehitetyt menetelmät voivat olla hyödyllisiä GDE-luokittelussa, eri ekosysteemien tutkimisessa ja luonnollisten merkkiainemenetelmien soveltamisessa eri ympäristöissä. Kun ekosysteemin pohjavesiriippuvuus tiedetään, voidaan arvioida pohjavedenotosta, ojituksesta ja/tai ilmaston muutoksesta mahdollisesti aiheutuvan pohjavedenpinnan laskun vaikutuksia. Suuressa mittakaavassa, GDE-luokittelumenetelmien tulee olla käytännöllisiä, tehokkaita ja halpoja. Veden stabiilien isotooppien ja muiden merkkiaineiden yhdistetty käyttö vaikuttaa olevan tähän erityisen tehokas työkalu, jolla voidaan ymmärtää ekosysteemien hydrologiaa eri temporaalisissa ja spatiaalisissa mittakaavoissa.

Abstract Human activities have increasingly altered freshwater ecosystems. Land use is a major driver of habitat loss and land use-related input of nutrients and other pollutants from agriculture, forestry and urbanization have deteriorated water quality. Freshwater research has mainly focused on lakes and streams while the effects of anthropogenic stressors on groundwater-dependent ecosystems (GDEs) are poorly known. Likewise, the effectiveness of ecological restoration in mitigating human disturbance in GDEs remains understudied. In this thesis, I studied the effects of two main anthropogenic stressors – land drainage and groundwater contamination – on boreal spring ecosystems and evaluated the recovery of spring biodiversity and ecosystem functioning after habitat restoration. I applied several structural (macroinvertebrates, bryophytes, leaf-decomposing fungi and groundwater bacteria) and functional (organic matter decomposition and primary productivity) measures to provide a comprehensive insight into these issues. Both stressors modified spring ecosystems. Land drainage reduced the key ecosystem processes. Long-term monitoring of drainage-impacted springs showed a marked biodiversity loss and change of spring-dwelling bryophytes, and no signs of recovery were observed after about 20 years since the intial land drainage. Groundwater contamination, indicated by elevated nitrate and chloride concentrations, altered the structure of spring biota, reduced their taxonomic diversity and suppressed primary productivity in the most severely contaminated springs. Spring restoration improved habitat quality by reducing drainage-induced inflow of surface water, thus re-establishing groundwater-dominated hydrological conditions. Restoration increased abundance of habitat-specialist bryophytes and shifted macroinvertebrate composition towards natural conditions, despite the restoration actions being fairly recent. Anthropogenic activities can thus cause severe structural and functional degradation of spring ecosystems, and their self-recovery potential from these stressors seems low. Habitat restoration bears great promise as a cost-effective approach to mitigate drainage-induced impacts on spring ecosystems, but protection and co-management of groundwater resources are urgently needed to secure the role of springs as biodiversity hotspots in the boreal forest landscape. / Tiivistelmä Ihmistoiminta muuttaa yhä enemmän vesiekosysteemejä. Maankäyttö on johtanut elinympäristöjen häviämiseen, ja siihen liittyvä ravinne- ja haitta-ainekuormitus maa- ja metsätaloudesta sekä kaupunkiympäristöistä on merkittävästi huonontanut veden laatua johtaen maailmanlaajuiseen vesiluonnon monimuotoisuuden heikentymiseen. Vesiekosysteemien tutkimus on keskittynyt pääasiassa järvi- ja jokiympäristöihin, kun ihmistoiminnan vaikutukset pohjavesiriippuvaisiin ekosysteemeihin tunnetaan edelleen huonosti. Samoin kunnostusten merkitys pohjavesiriippuvaisten ekosysteemien tilan parantamiseksi on selvittämättä. Väitöskirjassani tarkastelin kahden keskeisen ihmistoiminnan – metsäojituksen ja pohjaveden laadun heikkenemisen – vaikutuksia lähde-ekosysteemeihin sekä arvioin elinympäristökunnostusten vaikutuksia niiden rakenteeseen ja toimintaan. Sovelsin työssäni rakenteellisia (pohjaeläimet, sammalet, lehtikariketta hajottavat sienet ja pohjavesibakteerit) ja toiminnallisia (eloperäisen aineksen hajoaminen ja perustuotanto) mittareita tuottamaan kattavan käsityksen tutkimuskysymyksiini. Sekä metsäojitukset että pohjaveden laadun heikkeneminen aiheuttavat muutoksia lähteiden rakenteessa ja toiminnassa. Metsäojitukset hidastavat keskeisiä ekosysteemitoimintoja ja johtavat lähdesammallajiston muutokseen ja monimuotoisuuden taantumiseen. Pohjaveden pilaantuminen, jota työssä ilmennettiin kohonneilla nitraatti- ja kloridipitoisuuksilla, heikentää lähdelajiston monimuotoisuutta, muuttaa lajikoostumusta ja johtaa perustuotannon laskuun voimakkaimmin kuormitetuissa lähteissä. Kunnostus parantaa lähde-elinympäristön laatua vähentämällä metsäojien aiheuttamaa pintavesivaikutusta palauttaen pohjavesivaltaisen hydrologisen tilan. Lähdekunnostusten myötä lähdesammaleet runsastuvat ja pohjaeläinyhteisön rakenne palautuu luonnontilaisten lähteiden kaltaiseksi, vaikka kunnostuksista on kulunut vasta muutamia vuosia. Väitöskirjan tulokset osoittavat, että ihmisen toiminta voi aiheuttaa muutoksia lähde-ekosysteemien rakenteessa ja toiminnassa ja lähteiden luontainen palautuminen häiriöstä on hidasta. Lähde-elinympäristöjen kunnostus vaikuttaa lupaavalta suojelutoimenpiteeltä metsäojitusten vaikutusten vähentämisessä, mutta lähteiden säilyttäminen monimuotoisena ja suojelullisesti arvokkaana luontotyyppinä edellyttää pohjavesivarojen hallinnan ja tilan suojelun tehostamista.